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マイクロプロセッサ - Wikipedia コンテンツにスキップ

マイクロプロセッサ

出典: フリ?百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

マイクロプロセッサ （ 英 : microprocessor ）は、?義には、 プロセッサ を マイクロチップ に??したもの [1] である。（?義には） デジタル コンピュ?タ? の 中央?理?置 （ CPU )の 機能 を?行するために必要な 算術回路 、論理回路、制御回路を含むきわめて小さな 電子デバイス のこと [2] 。 MPU （ 英 : micro-processing unit ）ともいう。

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?義の用法では「CPUに必要な"機能を備えている" 」ということが定義文にあり 必要?件 となっているが、必ずしもCPUとして使わなければならないわけではなく、?際の用途としては、その機能を活かしつつCPU以外の、周?回路のために使われていることが?かに多い。たとえば パ?ソナルコンピュ?タ ではCPU以外の、周?の電源や各種 入出力 などの 制御 に マイクロコントロ?ラ が多く使われている。

汎用のマイクロプロセッサの他に、各種用途に特化したマイクロプロセッサも製品化されている。デジタル信??理に特化した DSP や、?像?理用の GPU などである。

世界初のマイクロプロセッサとされるのは Intel 4004 であり [3] 、これは4 ビット のもので [4] 、クロック周波?は740KHz（0.74MHz）であり [4] 、2300個の トランジスタ を含んでいた [4] 。→ #?史

2022年時点で市販されているマイクロプロセッサで最速のものは、 AMD の Ryzen ™ Threadripper™ PRO 5995WX desktop PC processor（64 コア 、128 スレッド ）だと考えられている [5] 。この Ryzen™ Threadripper™ PRO 5995WXには、332 億 個のトランジスタが含まれている [6] と言われている。

なおCPUの機能だけでなく、??ならその周?に配置されていたさまざまな機能を?う集積回路類（コントロ?ラやメモリなど）までひとつにまとめて搭載し小さくしたものは System-on-a-chip (SoC） という。 スマ?トフォン や 組み?みシステム などで使われている。

またマイクロプロセッサの中でも特に制御や組?みシステムに使うために開?され、メモリやI/Oポ?トなどもひとつの集積回路にまとめており、消費電力を抑えるためにクロック周波?を抑えたものは マイクロコントロ?ラ という。

マイクロプロセッサの中身の例
マイクロプロセッサの裏側のピンの例

?史 [ 編集 ]

「 CPU年表 」および「 CPU#マイクロプロセッサ 」も?照

1960年代頃まで、プロセッサは個別のトランジスタか、?時のせいぜい?百素子程度の集積度の 集積回路 （IC）を?ぎ合わせて作られていた。製造技術の?達、設計ル?ルの微細化が進むにつれてチップ上に集積できる素子の?が?え、大規模集積回路（LSI）の1チップに プロセッサ を??できるようになった。1970年代初頭に現れた初期のマイクロプロセッサは 電卓 や機器制御、もしくは ビデオ表示端末 用であり、非常に限られた機能しか持たなかったが、??の ディスクリ?ト半導? を使った回路に比べとても安?で利用しやすかったため、ほどなくして大量に使われるようになった。 CPU というコンピュ?タの機能を?現する最も主要な部品がワンチップ化されたことで、個人でも容易に購入できる パ?ソナルコンピュ?タ が?現可能となった。その後も ム?アの法則 に?い、マイクロプロセッサに集積される素子?は?加の一途をたどり、性能は目?ましく向上し?けている（ただし、かつてはム?アの法則に??していた デナ?ド則 によるクロック周波?の向上や消費電力の低下は、2000年代後半から頭打ちの傾向となり、2010年代後半からは微細化自?も鈍化が著しい）。今日ではマイクロプロセッサは、巨大な HPCサ?バ から小さな ウェアラブル端末 や 家電 に至るまで、さまざまな機器に搭載されている。

最初のマイクロプロセッサ [ 編集 ]

Intel 4004 マイクロプロセッサ

マイクロプロセッサを?現する??な新しい基本技術は 1970年 頃に整い、 1971年 11月15日に?表された 4004 は テッド?ホフ による基本的なアイディアと、 嶋正利 による論理設計と フェデリコ?ファジン による回路?マスク設計による、最初期のマイクロプロセッサとして周知のことだが、他複?のプロジェクトでほぼ同時期にCADC、 TMS0100 シリ?ズ、μPD707?708などのマイクロプロセッサと認められるLSIが開?されている。

1968年 に ギャレット?エアリサ?チ （ 英語版 ） 社が F-14 飛行制御用デジタルコンピュ?タの開?を要請されて CADC （ 英語版 ） を設計する。これは1970年に設計を完了したMP944という MOS ベ?スの チップセット から成るマイクロプロセッサで、??の機械?置より小型で信?性が高く、初期の F14 トムキャット ??機に採用された。 米海軍 は軍需用品として民間への商用販?などを 1997年 まで禁止していたため、CADC (MP944) は最近までほとんど知られていなかった。

TI の テキサス?インスツルメンツ TMS0100シリ?ズ は マイクロコントロ?ラ に近い構成のLSIで、 1971年 9月17日に 電卓 向けプログラムを??した TMS1802NC をリリ?スしている。

μPD707?708は NEC が設計?製造したLSIで、半導?プロセスの製造?率から2チップ構成だが機能的にはマイクロプロセッサで μCOMシリ?ズ の源流である。1971年12月にサンプル出荷され、 シャ?プ が 日本コカ?コ?ラ へ供給する仕向け機器に用いられている。 [7]

英語版 では他に en:Gilbert Hyatt の特許、Pico と General Instrument の協業によるチップ、 Four-Phase Systems の AL1 チップ、 フェアチャイルド の PPS25、 Viatron が端末?置用に開?したチップ [8] 、TIのTMX 1795 [9] なども記されている。

マイクロプロセッサ特許 [ 編集 ]

TIはマイクロプロセッサに?する 特許 を出願した。 ゲイリ??ブ?ン はシングルチップのマイクロプロセッサに?する特許を1973年9月4日に取得した（米?特許 第3,757,306? ）。1971年と1976年、インテルとTIは包括的な クロスライセンス 契約を締結し、インテルはTIの持つマイクロプロセッサの特許に?してロイヤリティを支?った。この間の?緯は、 サイリックス とインテル間の訴訟に?する法廷文書に記述されている。この訴訟においてTIはマイクロプロセッサに?する特許の所有者および仲裁人として??した。

マイクロプロセッサのコア（プロセッサコア）だけでなくメモリと入出力?理の回路も集積した、現代で言う マイクロコントロ?ラ の?現に?する特許は、TIのゲイリ??ブ?ンと マイケル?J?コクラン に?えられた（米?特許 第4,074,351? ）。

8ビットマイクロプロセッサ [ 編集 ]

Z80 マイクロプロセッサ
MOS 6502

4004の後?として1972年4月に?表された 8008 が世界初の 8ビット マイクロプロセッサである。

4004や8008を?展?改良させる形で、1974年4月にインテルの 8080 が誕生、さらに1976年（の3月～7月ころ）には8080の上位互換品で速度?機能などを向上させた ザイログ の Z80 が誕生し、またその後もインテル製の他の派生プロセッサ群が誕生してゆくことになった。その一方で同時期にそれらとは系統が異なる モトロ?ラ の MC6800 というプロセッサも構想され1974年から製造、そのMC6800と バス 互換としつつ パイプライン?理 の採用などの改良を加えた モステクノロジ? 社の 6502 が1975年に?表された。こうして Z80 と 6502 が覇を競うことになった（「80系と68系の?い」などとも言われた）。1970年代後半から1980年代前半にかけてのことである。

Z80 も 6502 もシステム全?のコストを低減することに注力しており、パッケ?ジを小さくし、要求される バス を?純なものにし、それまで外部に別チップで持たなければならなかった 回路 （例えば Z80 はDRAMリフレッシュカウンタ）を??した。これにより1980年初頭に ホ?ムコンピュ?タ（ホビ?コンピュ?タ） 市場が新たに生まれ、それなりに使えるマシンが、99 USドル で?られるようになった。

モトロ?ラが「切り札」として1979年に??した MC6809 は、 命令セット に 直交性 があり美しい設計が特?の、事?上最もパワフルな8ビットマイクロプロセッサであり、?時製品化されたマイクロプロセッサの中で最も複?な回路から成っていた。

他の初期の8ビットマイクロプロセッサとしては Signeticsの2650 もある。 PDP-8 を機能縮小しワンチップ化したものであるが、PDP-8を知らない層からは一風?わったパワフルな命令セットと受け止められた。

航空宇宙分野での最初のマイクロプロセッサは、1976年に?表された RCA 社の RCA 1802 （別名 CDP1802、RCA COSMAC）であり、1970年代のNASAの宇宙探査機 ボイジャ? と バイキング に使われた。木星探査機 ガリレオ にも搭載されている（ 1989年 出?、 1995年 到着）。CDP1802が使われた理由は、消費電力が極めて小さいことと、非常に?い電源電?範?で動作すること、製造プロセス（ Silicon on Sapphire ）が 宇宙線 や 放電 に他のどんなプロセッサよりも?いからであった。したがって1802は「最初の 放射線 耐性マイクロプロセッサ」と呼ぶにふさわしい。

ここまでに登場したプロセッサのほとんどが マイクロプログラム方式 による制御ではなく、 ワイヤ?ドロジック 制御である。

16ビットマイクロプロセッサ [ 編集 ]

TI TMS9900

最初の複?チップで構成された 16ビット マイクロプロセッサは 1973年 に登場した ナショナル セミコンダクタ? の IMP-16 である。8ビット版のチップセットはIMP-8として 1974年 に登場した。 1975年 、ナショナル セミコンダクタ?は最初の16ビットマイクロプロセッサPACEを開?、後に NMOS 版のINS8900を開?した。

その他の初期のマルチチップ16ビットマイクロプロセッサとしては、 PDP-11 をLSI化したLSI-11（ PDP-11#LSI-11 を?照）などがあり、LSI-11は 1975年 に登場した。

初期のシングルチップの16ビットマイクロプロセッサには、1975年4月に完成したPANAFACOM L-16A（MN1610）、1976年のTIのTMS9900や Data General の MicroNOVA (mN601) がある。いずれもミニコンピュ?タの影響を受けている。TMS9900は同社のミニコンピュ?タTI 990シリ?ズと互換性があった。9900はミニコンピュ?タTI 990/4、ホ?ムコンピュ?タ TI-99/4A 、OEM用マイコンボ?ドTM990シリ?ズに使われた。チップは大型のセラミック製64ピンDIPパッケ?ジで、?時の8ビットマイクロプロセッサIntel 8080はもっと一般的で小さくて安いプラスチック製40ピンDIPパッケ?ジだった。後?のチップTMS9980はIntel 8080への?抗を意識して設計された。TI 990 の16ビット命令セットを持ち、プラスチック製40ピンパッケ?ジで、デ?タバスは8ビット、アドレス空間は16キロバイトしかなかった。三番目のチップTMS9995は新たに設計しなおされた。ファミリ?はさらに99105、99110と進化していった。?時の Data General NOVA 互換のマイクロプロセッサには、他にフェアチャイルド?セミコンダクタの F9440 (1977年) も?げられる。

インテルは?考とすべきミニコンピュ?タを持たなかったため、全く別の道をたどる。8080を?張して16ビットの Intel 8086 を設計したのである。この x86 ファミリの最初のメンバ?8086は パ?ソナルコンピュ?タ （パソコン）に?く採用される。インテルは8086を8080用ソフトウェアを最も簡?に移植できる方法として提案し、成功した。8086と8088に?いて、インテルは 80186 、 80286 をリリ?スし、 1985年 に32ビットの 80386 をリリ?スするに及んで、?存のソフトウェア資産をそのまま使用できる下位互換性を武器にPC市場での占有?態を?固なものにした。

マイクロプロセッサ??のメモリ管理機構（MMU）はChilds他（インテル）によって開?された（米?特許 第4,442,484? ）。

16ビット化によってさらに進んだ複?化により、以前の ワイヤ?ドロジック から、 マイクロプログラム方式 を採用するプロセッサが?えた。Z8000はワイヤ?ドロジックだが [10] 、68000や8086はマイクロプログラム制御である [11] 。

32ビットマイクロプロセッサ [ 編集 ]

Intel 486DX2 の金?配線(200倍に?大)

マイクロプロセッサでは一旦はマイクロプログラム方式が?えたが、RISC化のためと性能競?のために、32ビット化後はワイヤ?ドロジックに?っており、インテルでは486でワイヤ?ドロジックを採用した。

市場では16ビットマイクロプロセッサに?してC言語が普及した。OSが16bitから32bitへの移行が可能なようにC言語が16bit と32bitの?方に??するように設計された。

32ビットを??したマイクロプロセッサが、16bitマイクロプロセッサと同?格で販?されるようになると、16bitマイクロプロセッサの利点は、省電力、省空間になった。ARMでは、32bitでも16bitと同程度の省電力、省空間、費用を目標に市場を?大していった。

世界初のシングルチップの 32ビット マイクロプロセッサは AT&T ベル?究所 のBELLMAC-32Aである。最初のサンプル出荷は 1980年 で、正式出荷は 1982年 であった [ 要出典 ] 。 1984年 のAT&T分割の後、WE32000と改?され（WEはWestern Electricを意味する）、さらにWE32100、WE32200と?いた。これらのマイクロプロセッサはAT&Tのミニコンピュ?タ3B5や3B15、世界初のデスクトップコンピュ?タ3B2、世界初の32ビットラップトップコンピュ?タCompanion、世界初の（本程度のサイズの）超小型コンピュ?タAlexanderに使われた。AlexanderはROMカ?トリッジを?備しており、その点は現在のゲ?ム機に似ている [ 要出典 ] 。これらは全てベル?究所オリジナルの UNIX オペレ?ティングシステムが動作し、最初のウィンドウ型ソフトウェアであるxt-layersを?備していた [ 要出典 ] 。

インテルの最初の32ビットマイクロプロセッサは 1981年 に登場した iAPX432 である。iAPX432は?限に基づくセキュリティ機構とオブジェクト指向という進んだア?キテクチャだったが、モトロ?ラの68000などの?抗ア?キテクチャ、ひいては自社の Intel 80286 等に比較して性能が及ばず、商業的には失敗した。

モトロ?ラは 1985年 に MC68020 で、デ?タバスもアドレスバスも完全32ビット化されたマイクロプロセッサを出荷した。68020は UNIX 市場では非常に人?を博し、多くの小企業が68020を使ってデスクトップサイズのシステムを製品化した。日本でも ソニ? の NEWS 、 NEC の EWS4800 、 住友電工 のEstationなどが68020を使って製品化された。?く MC68030 はチップにMMUを??し、68Kファミリ?は MS-DOS 以外のあらゆるものが動作するプロセッサとなった。さらに MC68040 では FPU を??して 浮動小?点演算 性能を向上させた。68050は予定していた性能目標を達成できず、リリ?スされなかった。そして MC68060 が出荷されたころ、市場にはより高性能な RISC プロセッサがあふれていた。 1990年代 初頭、68Kファミリ?はデスクトップ市場から消えていった。

他の多くの企業が68020やその後?プロセッサを組み?み機器用に使用した。特筆すべきは、機器に組み?まれた68020の個?は、これまでに出荷されたインテルのPentium搭載PCより多いのである。 ColdFire のプロセッサコアは68020の正?な後?である。

1980年代 中盤までに、 ナショナル セミコンダクタ? は外部16ビットで?部ア?キテクチャが32ビットであるマイクロプロセッサNS16032（後に32016と改?）と完全32ビット版の NS32032 を開?。また、それを使用したOEM向け32ビット小型コンピュ?タシリ?ズをリリ?スしている。 シ?クエント?コンピュ?タ は 1980年代 中頃にNS32032を使った最初の??型マルチプロセッサ (SMP) サ?バコンピュ?タを開?した。これは設計という面では勝利と言えるものだったが、 1980年代 終盤には消えていった。

他にもザイログの Z80000 などは興味深いが市場でチャンスを?むには登場が?すぎたため?座に消えていった。

インテルが??した 80386 は、x86ア?キテクチャでの最初の32ビットプロセッサであり、ここで採用された IA-32 ア?キテクチャ上では多くの本格的OSが動作し、後のインテルや互換プロセッサの基礎となった。

1980年代 終盤、いわゆる「マイクロプロセッサ??」が勃?しいくつかのマイクロプロセッサが「?死」した。前述の唯一の設計上の勝利と?したSequentは、NS32032が消えるとともにインテルのマイクロプロセッサに切り替えた。

64ビットマイクロプロセッサ [ 編集 ]

Alpha ? MIPS ? SPARC などの RISC プロセッサでは、 1990年代 初頭から 64ビット 化が行われており、特にAlphaは32ビットア?テクチャが存在せず、?初から64ビットプロセッサとして登場した。PC（ PC/AT互換機 とMacintosh）向けマイクロプロセッサは 21世紀 に入ってから64ビット化が行われた。 2003年 4月に AMD の Opteron が、同年6月にはIBMの PowerPC 970 が出荷開始され、AMDの Athlon64 は 2003年 9月、インテル Xeon は 2004年 である。

Power Mac G5 が最初の64ビットデスクトップ機として登場したあと、AMDが 2003年 9月に Athlon 64 でx86（ IA-32 ）ア?キテクチャを?張した AMD64 ア?キテクチャの64ビットチップを導入し、それに?いてインテルがAMD64互換の IA-32e ア?キテクチャの64ビットマイクロプロセッサを登場させるに及んで、Windowsパソコンにも64ビットデスクトップ時代が到?した。AMD64は32ビットの??のアプリケ?ションも使用できると同時に、64ビットに??した オペレ?ティングシステム やアプリケ?ションで動作させることにより、プロセッサの性能と機能を?揮させることができる。AMD64における64ビット化では、レジスタのサイズとともにレジスタの?も倍?し性能の向上に貢?している。 デスクトップ向けでは64ビットWindowsはドライバの非互換性からあまり普及していないので、デスクトップではIntel 64/AMD64プロセッサは高速な32ビットCPUとして使われていることが多い。 　?? 2024年 現在は64ビット版が普及している。

PowerPC の64ビットへの移行は 1990年代 前半のプロセッサ設計?時から意識されていたため、互換性は大きな問題を起さなかった。?存の整?レジスタはデ?タバス幅に合わせて?張されている。

またIBM メインフレ?ム の z/Architecture も、64ビットマイクロプロセッサであり、 IBM z10 などがある。

RISC [ 編集 ]

1980年代 中盤、複?の新たな高性能 RISC （reduced instruction set computer）マイクロプロセッサが登場した。命令の種類を減らし、アドレッシングモ?ドを制限し、全てを ワイヤ?ドロジック 制御で構成する。多?のレジスタを備えてメモリへのアクセスを減らすとともに、すべての命令を固定長とし パイプライン?理 で高性能化を狙うものであった。それらは?初、特殊な用途のマシンや UNIX ワ?クステ?ション に使われていたが、その後あらゆる分野で使われるようになった。

RISC の開?は 1970年 代の IBM 801 に始まった。最初の商用のRISCマイクロプロセッサは ミップス?テクノロジ?ズ の32ビットプロセッサである R2000 である（1985年。R1000はリリ?スされなかった）。?く R3000 は更に?用的な設計となり、 R4000 では世界初の64ビットア?キテクチャを採用した。それに?抗すべく IBM の RT PC （1986年）や後?の POWER 、 サン?マイクロシステムズ の SPARC システム（1985年）が生み出され、間もなく各主要ベンダはRISCア?キテクチャを採用したプロセッサをリリ?スした。 AT&T のCRISP、 AMD の29000、 インテル のi860とi960、 モトロ?ラ の88000、 DEC Alpha 、 ヒュ?レット?パッカ?ド の PA-RISC などである。

DEC Alpha は性能面では優秀と言われながら、 ヒュ?レット?パッカ?ド に買?された後に消滅した。 ヒュ?レット?パッカ?ド の PA-RISC は、 インテル と共同開?の Itanium に移行した。 MIPSア?キテクチャ は 組み?みシステム （ シスコシステムズ のル?タなど）に?く使われている。 POWER / PowerPC は、 Macintosh にも採用されたが、現在は サ?バ? と ス?パ?コンピュ?タ のほかは、 組み?みシステム が中心である。

ARMア?キテクチャ は?初ホ?ムコンピュ?タ向けに開?されたが、その後は PDA ? 携?電話 ? スマ?トフォン をはじめとした携?機器や 組み?みシステム で支配的となった。 ARMv8-A で64ビット化がなされて以降、ARMア?キテクチャは サ?バ 分野にも進出し、 ス?パ?コンピュ?タ やデスクトップ分野でも台頭が著しい。

現在の x86 マイクロプロセッサは??の（可?長の）命令セットとの互換性を保ちながら、?部的には固定長命令に?換して?行するなど RISC の技術を段階的に採用し、また各 RISC マイクロプロセッサはコ?ド?率の向上を意?して短縮命令モ?ド（ARMのThumb命令など）を??するなど命令セットの追加を重ねたため、現在では RISC と CISC の技術的な分類は困難である。しかしRISCという用語は便宜上使われる場合が多い。

市場 [ 編集 ]

かつて世界で販?されたマイクロプロセッサのうち最も多かったのは安?な 8ビット 製品である。 1997年 には20億個以上が出荷され、 組み?みシステム として非常に??な用途に利用されてきた。

しかし、その後は半導?製造技術の?達によりロ?エンドの32ビットプロセッサ?と 16ビット / 8ビット プロセッサ?の?格差は徐?に少なくなり、 IoT などの要求仕?の高度化や汎用開?ツ?ルの援用要求により、16ビット命令（ARMのThumb命令など）を持つ32ビットRISCプロセッサ（主にMIPSやARMの互換製品）が組み?み用途にも?く使われるようになった。また、64ビットの高性能品もパソコンやサ?バ、スマ?トフォンのほか、 デジタル家電 やネットワ?ク機器など大量のデ?タの?理が要求される分野で使われている。

マイクロプロセッサはその特性上小さく、?いが?格が高?なことから、 航空機 での輸送が盛んである。日本においてマイクロプロセッサの取扱量が最も多い 空港 は、 成田?際空港 である。

脚注 [ 編集 ]

  1. ^ Osborne, Adam (1980). An Introduction to Microcomputers . Volume 1: Basic Concepts (2nd ed.). Berkeley, California: Osborne-McGraw Hill. ISBN   0-931988-34-9  
  2. ^ Britannica, definition of microprocessor. [1]
  3. ^ IEEE Spectrum, Chip Hall of Fame: Intel 4004 Microprocessor
  4. ^ a b c CPU-world, Intel 4004 specification.
  5. ^ https://www.cpubenchmark.net/high_end_cpus.html
  6. ^ https://www.techpowerup.com/cpu-specs/ryzen-threadripper-pro-5995wx.c2719
  7. ^ 多田則明『世界にないものを創れ : 日本コカ?コ?ラ、シャ?プ、NECによる携?用コンピュ?タ開?物語』コスモトゥ?ワン、113頁。  
  8. ^ http://www.pcmuseum.ca/jim2.asp ?照。 Viatron は『マイ?コンピュ?タ入門』に言及が見られる。
  9. ^ http://www.righto.com/2015/05/the-texas-instruments-tmx-1795-first.html
  10. ^ 嶋『マイクロコンピュ?タの誕生』p. 156
  11. ^ bit臨時?刊『ダイナミック?ア?キテクチャ』pp. 312-317

?連項目 [ 編集 ]

外部リンク [ 編集 ]

ア?キテクチャ
?列?理
パイプライン
レベル
スレッド
コア
フリンの分類
タイプ
コンポ?ネント
電源管理
分類
種類
半導?素子
バンド理論
トランジスタ
?連
?連項目
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